Inverter

Emner:

introduksjon
Inverter
Regenerativ bremsing

Forord:
Elektriske motorer i kjøretøy med helelektrisk eller hybrid fremdrift fungerer med vekselstrøm (AC). Energien til elmotoren kommer ikke direkte fra batteriet, da den kun leverer likespenning (DC). DC-spenningen fra batteriet mates inn i omvendt konvertert til en vekselspenning for den elektriske motoren.

I tillegg finner vi omformere som gjør en lav likespenning til en høyere spenning (boost-omformer). Batterispenningen kan "økes" opp for den elektriske motoren (650 volt), eller senkes for å lade det innebygde batteribatteriet (14 volt). Omformeren brukes også til å bytte fra høyspenning til lavspenning, for eksempel for å forsyne interiørtilbehøret med en spenning på 12 eller 24 volt (passasjer eller tunge nyttekjøretøy). Klikk her for siden om konverteren.

Følgende bilde er av en Tesla Model S: interiøret i vekselretteren og en oversikt over den såkalte "drivenheten" hvor vekselretter, girkasse og elektrisk motor er plassert i en felles enhet ved bakopphenget.

inverter:
Bildet i "Boost-omformer"-delen viser oversikten med boost-omformeren, omformeren med tolv IGBT-er og to elektriske motorer (MG1 og MG2).

De nederste syv diagrammene viser styringen av transistorene og strømretningen til og fra statorspolene. Boost-omformeren og IGBT-ene + MG2 er utelatt for enkelhets skyld. Vi ser det til venstre i diagrammet HV batteripakke; dette er høyspentbatteriet der en spenning på ca. 200 til 800 volt er lagret. Til høyre for batteriet ser vi en kondensator. Når HV-systemet er aktivert, regulerer HV-beskyttelsessystemet i utgangspunktet en begrenset strøm fra HV-batteripakken ved hjelp av en motstand. Dette gjøres for å sakte lade kondensatoren før HV-systemet blir fullt operativt.

I tillegg ser vi seks høyeffekttransistorer. Dette er IGBT-ene som styrer den elektriske motoren. IGBT-ene styres av kontrollenheten; dette er indikert som "IGBT-driver". Til høyre ser vi statoren med tre spoler (U, V og W) farget blå og rød. I midten av statoren er rotoren som settes i bevegelse av magnetisme, se avsnittet om elmotoren.

Topptransistorene (T1, T3 og T5) bytter de positive koblingene fra HV-batteriet til statorspolene når transistorene slås på av kontrollenheten. Bunntransistorene (T2, T4 og T6) leder massene til det negative til høyspentbatteriet.

Portforbindelsene til IGBT-ene som for øyeblikket kontrolleres er vist i grønt. Med en synkronmotor "leser" kontrollenheten posisjonen til motoren rotorposisjonssensor for å bestemme hvilken IGBT den skal kontrollere. Rotorposisjonssensoren kalles også en resolver kalt.

1. Kontrollerte IGBTer:

T1: pluss (100 % kontrollert);
T2: masse (50 % drevet);
T6: masse (50 % drevet).

2. Kontrollerte IGBTer:

T1: pluss (50 % kontrollert);
T3: pluss (50 % kontrollert);
T2: masse (100 % drevet).

Rotoren snur som følge av magnetfeltet som har endret seg.

3. Kontrollerte IGBTer:

T3: pluss (100 % kontrollert);
T2: masse (50 % drevet);
T4: masse (50 % drevet).

Rotoren snur som følge av magnetfeltet som har endret seg.

4. Kontrollerte IGBTer:

T3: pluss (50 % kontrollert);
T5: pluss (50 % kontrollert);
T4: masse (100 % drevet).

Rotoren snur som følge av magnetfeltet som har endret seg.

5. Kontrollerte IGBTer:

T5: pluss (100 % kontrollert);
T4: masse (50 % drevet);
T6: masse (50 % drevet).

Rotoren snur som følge av magnetfeltet som har endret seg.

6. Kontrollert IGBT-er:

T1: pluss (50 % kontrollert);
T5: pluss (50 % kontrollert);
T6: masse (100 % drevet).

Rotoren snur som følge av magnetfeltet som har endret seg.

7. Kontrollert IGBT-er:

T1: pluss (100 % kontrollert);
T2: masse (50 % drevet);
T6: masse (50 % drevet).

Rotoren har nå rotert 360 grader (1 hel rotasjon) fra situasjonen i situasjon 1. Syklusen med transistorkretser gjentar seg selv.

Omformeren konverterer likespenningen fra HV-batteriet til en 1-fase sinusformet vekselspenning. De tre bildene nedenfor viser:

Venstre: lasting av spolen;
Midten: utlading av spolen;
Høyre: spolelade- og utladningskurve.

Vi oppnår lading og utlading av spolen ved å drive basen av transistoren med en firkantbølgespenning. Når spolen utlades, faller magnetfeltet og induksjonsspenningen skaper en kortvarig induksjonsstrøm. Slukningsdioden sørger for at spolen utlades.

Den 1-fase sinusformen oppnås ved å endre driftssyklusen som transistoren blir ledende med. Følgende tekst handler om bildene nedenfor.

Venstre: ved denne frekvensen kan ikke spolen lades tilstrekkelig og det dannes en gjennomsnittlig spenning;
Høyre: driftssyklusen justeres av IGBT-kontrolleren. Lade- og utladingstiden bestemmer mengden strøm gjennom spolen.

IGBT-ene i omformeren slås kontinuerlig på og av. Forholdet mellom å slå på og av skjer etter en PWM-kontroll. Jo bredere pulsene er (høyere driftssyklus), jo større er strømmen som flyter gjennom spolen og derfor kraftigere er den elektriske motoren. Gjennomsnittsstrømmen indikeres av den svarte sinusbølgen. Følgende figur viser tre sinusformede kontrollsignaler:

Blå: høy kontroll. Driftssyklusen er høy. Strømmen blir maksimal.
Grønn: gjennomsnittlig kontroll. Driftssyklusprosenten er lavere enn ved høy kontroll. Strømmen er derfor lavere.
Rød: lav kontroll. Nok en gang har driftssyklusprosenten falt. Strømintensiteten er halvert i forhold til maksimal kontroll.

Sinusbølgen er positiv i en halv periode og negativ for den andre halvdelen. IGBT-ene i DC-AC-omformeren er koblet på en slik måte at en likespenning (DC) omdannes til en vekselspenning (AC). Strømretningen gjennom statorspolene reverseres periodisk.

Frekvensen til sinussignalet bestemmer hastigheten til den elektriske motoren:
øker antall sinusoider per tidsenhet øker rotorhastigheten.

Følgende animasjon viser styringen av omformeren. Under omformeren kan du se tidsforløpet til tre faser. Rotoren roterer to hele omdreininger (360 grader) i animasjonen. Hver rotasjon er delt inn i seks tidsenheter (1 til 6). Nedenfor ser du fargede stolper:

Mørk blå: T1
Grønn: T2
Lyseblå: T3
Oransje: T4
Rosa: T5
Rød: T6

Vi fokuserer på den første halve revolusjonen av tidens gang:

Fra 0 til 180 grader dreier rotoren en halv omdreining. IGBT T1 ble kontrollert i denne perioden.
Mellom 0 og 60 grader, i tillegg til T1, var også T5 og T6 aktive.
T1 bytter pluss, T5 og T6 jord. Hver transistor hadde sin egen driftssyklus, varierende mellom 50 og 100 %.
Ved 60 grader tar T2 over fra T5: strømretningen i spolen snus.
I det øyeblikket er det vekselspenning: fordi strømretningen har endret seg, er strømintensiteten negativ.

For å kontrollere de riktige spolene i AC-synkronelektromotoren med omformeren, ser omformeren på signalet fra resolver. Resolveren registrerer rotorens posisjon både når den står stille og når den roterer.

Regenerativ bremsing:
Ved bremsing av motoren brukes elmotoren som generator (dynamo). Kjøretøyets kinetiske energi omdannes til elektrisk energi: batteriet lades.

IGBT-ene er slått av under regenerativ bremsing: føreren kontrollerer dem ikke. Likeretterdiodene mellom kilden og avløpet til IGBT-ene fungerer som en likeretter for å konvertere AC-spenningen fra motoren til DC-spenning for batteriet.

Helelektriske og hybridbiler har, i tillegg til muligheten for elektrisk brems, også et konvensjonelt, hydraulisk bremsesystem for å bremse med bremseklossene og bremseskivene. De ulike teknikkene og kontrollprinsippene finner du på siden: bremsing av elektriske kjøretøy.

Se også: